DE19751661C2 - Kapazitive Meßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1, wie sie aus der EP 0 336 022 A1 bekannt ist.

Eine variable Steuerung von Gaswechselventilen kann den Wirkungsgrad und das Emissionsverhalten von Schadstoffen bei Brennkraftmaschinen wesentlich verbes­ sern. Hierzu dienen elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen der Gaswechsel­ ventile oder andere elektrisch ansteuerbare Stellvorrichtungen, die in weiten Gren­ zen eine variable Steuerung zulassen. Um den Ventilöffnungsverlauf den Erforder­ nissen des Ladungswechsels anzupassen und den Verschleiß und Energieverbrauch zu minimieren, ist eine zusätzliche Flugbahnregelung des Ventilglieds erforderlich. Als Basisgröße der Flugbahnregelung dient ein Positionssignal, das die Lage des Ventilglieds zu jedem Zeitpunkt wiedergibt. Neben dem Gaswechsel ist für den Wir­ kungsgrad und das Emissionsverhalten von Schadstoffen bei Brennkraftmaschinen die Kraftstoffzufuhr von Bedeutung, und zwar sowohl in bezug auf die Kraftstoffmen­ ge als auch auf den Einspritzzeitpunkt. Somit ist ebenfalls wichtig, den Bewegungs­ verlauf eines Ventilglieds der Kraftstoffeinspritzvorrichtung zu regeln, z. B. einer ent­ sprechenden Injektornadel. Auch hierbei wird zweckmäßigerweise ein Positions­ signal zur Regelung herangezogen.

Aus der DE 44 38 059 A1 ist eine Einrichtung zur meßtechnischen Erfassung von Hubbewegungen von Ventilen, z. B. eines Gaswechselventils oder eines Kraftstoff­ einspritzventils, für Brennkraftmaschinen bekannt, bei denen an den Ventilen Ma­ gnetkreise angeordnet sind, von denen jeder eine gegenüber dem Ventil ortsfeste magnetfelderzeugende Spule und einen an den Bewegungen des Ventils teilneh­ menden und dabei den Magnetkreis beeinflussenden Magnetkern enthält. Werden die Spulen mit Wechselstrom gespeist, wird die durch die Bewegungen des Magnet­ kerns hervorgerufene Impedanzänderung im Magnetkreis als Maß für den Hubver­ lauf des betreffenden Ventils erfaßt. Werden die Spulen mit Gleichstrom gespeist, dient die durch Bewegungen des Magnetkerns induzierte Spannung in den Spulen als Maß für die Geschwindigkeit der Hubbewegung des betreffenden Ventils. Um den Aufwand gering zu halten und Temperatureinflüsse zu kompensieren, werden die magnetfelderzeugenden Spulen zweier, zu unterschiedlichen Zeiten betätigter Ventile in entgegengesetzt wirkende Zweige einer Brückenschaltung geschaltet. Induktive Meßverfahren sind allerdings aufgrund der auftretenden Hystereseeffekte nur begrenzt tauglich.

Aus der DE 43 26 379 A1 ist eine Meßvorrichtung zur Messung des Hubes von fe­ derbelasteten Ventilen von Brennkraftmaschinen mit einem kapazitiven Wegauf­ nehmer bekannt, der einen gehäusefesten und einen ventilfesten Aufnehmerteil aufweist. Die beiden Aufnehmerteile sind innerhalb des durch die Ventilfeder be­ grenzten Federraums konzentrisch um den Ventilschaft angeordnet. Der gehäusefe­ ste Aufnehmerteil bildet mit dem ventilfesten Aufnehmerteil einen hubabhängigen Meßkondensator, wobei die Überdeckung der Aufnehmerteile durch die Kapazität­ sänderung ein vom Ventilhub abhängiges Meßsignal liefert. Eine Kompensation von Temperatureinflüssen ist nicht vorgesehen.

Aus der DE 33 31 170 C1 ist eine Vorrichtung zur Wegbestimmung eines Kolbens von hydraulischen, pneumatischen oder hydropneumatischen Federungen nach dem Rohrkondensatorprinzip bekannt, bei der eine erste, axial verschiebbare Elektrode durch die hohle Kolbenstange gebildet wird und eine zweite, isoliert angeordnete Elektrode ortsfest im Zylinder gehalten ist und die Kapazität zwischen beiden Elek­ troden gemessen wird. Im zylindrischen Innenraum der im Zylinderboden fixierten Elektrode ist ein weiteres, im Abstand fest angeordnetes Rohr vorgesehen, welches als zusätzliche Elektrode mit der fixierten Elektrode einen Kondensator mit fester Kapazität bildet. Dabei erhält man den Vorteil einer kapazitiven Halbbrücke, die sich aus der variablen Kapazität (durch Verschiebung der Kolbenstange) und der festen, im Zylinderboden verankerten Kapazität zusammensetzt. Diese Anordnung ermög­ licht neben einer besseren Auswertung der variablen Kapazität auch eine gleichzei­ tige Druck- und Temperaturkompensation, indem mittels einer geeigneten Elektronik das Verhältnis der beiden Kapazitäten berücksichtigt wird. Eine solche Anordnung ist bei den geringen radialen Abmessungen von Hubventilen bei Brennkraftmaschi­ nen kaum anzuwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer kapazitiven Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit geringem Aufwand und bei kleinem Bauraum ein geeignetes Positionssignal für Hubventile von Brennkraftmaschinen zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.

Nach der Erfindung sind zum Messen der Hubbewegung eines Ventilglieds drei elek­ trisch leitfähige Flächen vorgesehen, von denen zwei gegeneinander isolierte elek­ trisch leitfähige Flächen dem feststehenden ersten Aufnehmerteil zugeordnet sind und eine elektrisch leitfähige Fläche dem beweglichen zweiten Aufnehmerteil zuge­ ordnet ist; das zweite Aufnehmerteil ist dabei als Innenfläche eines zylindrischen Hohlraums im Ventilglied ausgebildet, das erste Aufnehmerteil weist zwei voneinan­ der isolierte elektrisch leitfähige Flächen auf der Mantelfläche eines in den zylindri­ schen Hohlraum eintauchenden feststehenden Zylinders auf. Eine der beiden elek­ trisch leitfähigen Flächen des ersten Aufnehmerteils wird während der gesamten Hubbewegung des Ventilglieds von der elektrisch leitfähigen Fläche des zweiten Aufnehmerteils vollständig überdeckt, während die andere der beiden elektrisch leitfähigen Flächen des ersten Aufnehmerteils von der elektrisch leitfähigen Fläche des zweiten Aufnehmerteils entsprechend der Hubbewegung des Ventilglieds mehr oder weniger überdeckt wird. Die während der gesamten Hubbewegung des Ventil­ glieds von der elektrisch leitfähigen Fläche des zweiten Aufnehmerteils überdeckte erste elektrisch leitfähige Fläche des ersten Aufnehmerteils und die elektrisch leit­ fähige Fläche des zweiten Aufnehmerteils bilden einen ersten Kondensator mit kon­ stanter Kapazität; die während der Hubbewegung des Ventilglieds von der elektrisch leitfähigen Fläche des zweiten Aufnehmerteils mehr oder weniger überdeckte zweite elektrisch leitfähige Fläche des ersten Aufnehmerteils und die elektrisch leitfähige Fläche des zweiten Aufnehmerteils bilden einen zweiten Kondensator mit in Abhän­ gigkeit der Hubbewegung des Ventilglieds variierender Kapazität.

Dadurch, daß zwei elektrisch leitfähige Flächen an einem feststehenden Bauteil axial voneinander beabstandet angeordnet sind und mit einer koaxial angeordneten wei­ teren elektrisch leitfähigen Fläche an dem anderen bewegten Bauteil zusammenar­ beiten, ergibt sich eine schlanke Meßeinrichtung, die nur wenig radialen Bauraum beansprucht und somit für Ventilglieder bei Brennkraftmaschinen geeignet ist.

Die axiale Länge derjenigen elektrisch leitfähigen Fläche des ersten Aufnehmerteils, durch die der Kondensator mit variabler Kapazität gebildet wird, sollte mindestens dem maximalen Hub des Ventilglieds entsprechen; die axiale Länge derjenigen elek­ trisch leitfähigen Fläche des ersten Aufnehmerteils, durch die der Kondensator mit variabler Kapazität gebildet wird, kann grundsätzlich beliebig sein, jedoch ist es zweckmäßig, wenn ihre Länge ungefähr gleich groß wie die Länge der anderen elek­ trisch leitfähigen Fläche des ersten Aufnehmerteils ist. Die axiale Länge der elek­ trisch leitfähigen Fläche des zweiten Aufnehmerteils entspricht aus Gründen einer guten Raumausnutzung der Summe der axialen Längen der beiden elektrisch leitfä­ higen Flächen des ersten Aufnehmerteils plus dem Abstand zwischen diesen beiden elektrisch leitfähigen Flächen.

Werden die Kapazitäten der beiden Kondensatoren bei voller Überdeckung der elek­ trisch leitfähigen Flächen der beiden Aufnehmerteile gleich groß gewählt, und wer­ den die beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren als kapazitiver Spannungsteiler geschaltet, so fällt in derjenigen Endlage des Ventilglieds, bei der beide elektrisch leitfähige Flächen des ersten Aufnehmerteils vollständig überdeckt sind, an jedem Kondensator die Hälfte der angelegten Spannung ab. Während einer Lageänderung des Ventilglieds ändert sich der Spannungsabfall nicht-linear mit der Position des Ventilglieds und stellt somit ein Maß für die Position des Ventilglieds dar. Das Span­ nungssignal steht hysteresefrei zur Verfügung. Der Vorteil des Verfahrens liegt fer­ ner darin, daß die Kapazitätsänderung, die sich im pF-Bereich bewegt, nicht mittels aufwendiger Messungen ermittelt wird, sondern über einen kapazitiven Spannungs­ teiler mit einer konstanten Referenzkapazität bestimmt werden kann. Da diese Refe­ renzkapazität der Meßkapazität in derjenigen Endlage des Ventilglieds entspricht, bei der beide elektrisch leitfähige Flächen des ersten Aufnehmerteils vollständig überdeckt sind, sind beide Kapazitäten in dieser Position des Ventilglieds gleich groß, wodurch eine Kalibrierung der Referenzkapazität nicht erforderlich ist. Ferner wirken sich Störungen auf beide Kondensatoren gleich aus, so daß insbesondere durch Temperaturschwankungen hervorgerufene Störeinflüsse, kompensiert werden und ein störunempfindliches Meßverhalten erzielt wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Gaswechselventil mit einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung in sche­ matischer Darstellung, die einer geschlossenen Position des Gaswechselven­ tils entspricht,

Fig. 2 ein Gaswechselventil entsprechend Fig. 1, jedoch in einer geöffneten Positi­ on,

Fig. 3 eine Schaltung, bei der die Aufnehmerteile in Reihe geschaltete Kondensato­ ren bilden, und

Fig. 4 eine Schaltung, bei der die Kondensatoren zu einem kapazitiven Spannungs­ teiler geschaltet sind.

Ein Gaswechselventil besitzt ein Ventilglied mit einem Ventilteller 2 und einem Ven­ tilschaft 3, das über nicht dargestellte Ventilfedern in Schließstellung gehalten wird und über einen ebenfalls nicht dargestellten, elektrischen Betätigungsmechanismus in die geöffnete Position gemäß Fig. 2 verstellt wird.

Um die Hubbewegung des Ventilglieds 2, 3 in Abhängigkeit von Kenngrößen der Brennkraftmaschine oder von Fahrzeuggrößen regeln zu können, besitzt das Ventil­ glied 2, 3 eine Meßeinrichtung 1, die aus einem zylindrischen Hohlraum 4 im Ventil­ schaft 3 und einem Zylinder 8 gebildet wird, der an einem Gehäuse 17 befestigt ist.

Auf der Mantelfläche des aus elektrisch nicht-leitfähigem Material bestehenden Zy­ linders 8 ist ein erstes Aufnehmerteil mit einer ersten elektrisch leitfähigen Fläche 5 und einer axial beabstandeten zweiten elektrisch leitfähigen Fläche 7 isoliert ange­ ordnet; die beiden elektrisch leitfähigen Flächen 5, 7 des ersten Aufnehmerteils besitzen die gleiche axiale Erstreckung und sind über Steuerleitungen 9, 10 mit ei­ ner Steuereinheit 12 verbunden. Die Innenfläche des zylindrischen Hohlraums 4 bildet das zweite Aufnehmerteil mit der elektrisch leitfähigen Fläche 6, die über eine Steuerleitung 11 mit der Steuereinheit 12 verbunden ist. Die Steuereinheit 12 ent­ hält eine Spannungsquelle 13, durch die an die beiden elektrisch leitfähigen Flächen 5, 7 des ersten Aufnehmerteils eine Wechselspannung angelegt wird.

Bei der in Fig. 1 dargestellten, geschlossenen Endlage des Ventilglieds 2, 3 tauchen die beiden elektrisch leitfähigen Flächen 5, 7 des ersten Aufnehmerteils vollständig in den Hohlraum 4 ein und werden somit vollständig von der elektrisch leitfähigen Fläche 6 des zweiten Aufnehmerteils überdeckt. Die elektrisch leitfähige Fläche 5 des ersten Aufnehmerteils bildet mit der sie überdeckenden elektrisch leitfähigen Fläche 6 des zweiten Aufnehmerteils einen ersten Kondensator 15, die elektrisch leitfähige Fläche 7 des ersten Aufnehmerteils bildet mit der sie überdeckenden elek­ trisch leitfähigen Fläche 6 des zweiten Aufnehmerteils einen zweiten Kondensator 16. Die beiden Kondensatoren 15, 16 sind in Reihe geschaltet (Fig. 3).

Wird das Gaswechselventil geöffnet, wird die elektrisch leitfähige Fläche 5 des er­ sten Aufnehmerteils von der elektrisch leitfähigen Fläche 6 des zweiten Aufnehmer­ teils in Abhängigkeit der Hubbewegung weniger überdeckt, bis das Ventilglied die geöffnete Endlage erreicht (Fig. 2). In dieser Lage wird die elektrisch leitfähige Flä­ che 5 des ersten Aufnehmerteils von der elektrisch leitfähigen Fläche 6 des zweiten Aufnehmerteils gerade nicht mehr überdeckt, während die elektrisch leitfähige Flä­ che 7 des ersten Aufnehmerteils von der elektrisch leitfähigen Fläche 6 des zweiten Aufnehmerteils noch vollständig überdeckt wird.

Fig. 4 zeigt einen kapazitiven Spannungsteiler aus den beiden Kondensatoren 15, 16, bei dem der Spannungsabfall am Kondensator 15 mit variabler Kapazität als Spannungssignal 14 abgenommen und als hubabhängiges Signal in der Steuerein­ richtung 12 für die Regelung des Gaswechselventils ausgewertet wird.

Die Meßeinrichtung 1 kann nicht nur bei Gaswechselventilen von Brennkraftmaschi­ nen verwendet werden, sondern auch für Injektornadeln von Kraftstoffeinspritzvor­ richtungen. Hierbei wird die Meßeinrichtung in einem Hohlraum der Injektornadeln untergebracht, der dem Hohlraum 4 des dargestellten Gaswechselventils entspricht.

Claims (7)

1. Kapazitive Meßeinrichtung aus einem feststehenden zylindrischen ersten Auf­ nehmerteil mit mindestens zwei axial voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Flächen (5, 7) und aus einem beweglichen zum ersten Aufnehmerteil koaxial angeordneten zylindrischen zweiten Aufnehmerteil mit einer elektrisch leitfähigen Fläche (6), die sich während der gesamten Bewegung des zweiten Aufnehmerteils mit der einen elektrisch leitfähigen Fläche (5) des ersten Auf­ nehmerteils mehr oder weniger und mit der anderen elektrisch leitfähigen Flä­ che (7) des ersten Aufnehmerteils vollständig überdeckt, so daß durch die ein­ ander gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Flächen (5, 7; 6) des ersten Aufnehmerteils und des zweiten Aufnehmerteils zwei Kondensatoren (15, 16) gebildet werden, deren Kapazitätsänderung während der Bewegung des zweiten Aufnehmerteils ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Hubbewegung eines Ventilglieds (2, 3) das zweite Aufnehmerteil als Innenfläche (6) eines zylindrischen Hohl­ raums (4) im Ventilglied (2, 3) ausgebildet ist und das erste Aufnehmerteil zwei voneinander isolierte elektrisch leitfähige Flächen (5, 7) auf der Mantelfläche ei­ nes in den zylindrischen Hohlraum (4) eintauchenden feststehenden Zylinders (8) aufweist.

2. Kapazitive Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden elektrisch leitfähigen Flächen (5, 7) des ersten Aufnehmerteils sich gleich weit in axialer Richtung erstrecken.

3. Kapazitive Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Fläche (6) des zweiten Aufnehmerteils in einer End­ lage des Ventilglieds (2, 3) beide elektrisch leitfähigen Flächen (5, 7) des ersten Aufnehmerteils vollständig überdeckt.

4. Kapazitive Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinder (8) aus einem elektrisch nicht leitenden Material be­ steht, auf das die beiden elektrisch leitfähigen Flächen (5, 7) des ersten Auf­ nehmerteils aufgebracht sind.

5. Kapazitive Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch die einander gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen Flä­ chen (5, 7; 6) des ersten Aufnehmerteils und des zweiten Aufnehmerteils ein ka­ pazitiver Spannungsteiler aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren (15, 16) gebildet wird, daß ein Kondensator (15) des kapazitiven Spannungsteilers durch die Hubbewegung des Ventilglieds (2, 3) eine variable Kapazität aufweist, und daß der Spannungsabfall am variablen Kondensator (15) als Signal (14) für die Position bzw. den Weg des Ventilglieds (2, 3) einer elektronischen Steuer­ einheit (12) zugeleitet wird.

6. Kapazitive Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwendung bei einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine.

7. Kapazitive Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Verwendung bei einem Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine.